DE2947802C2 - - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist die Verwendung gemäß Anspruch 1.

In der DE-OS 25 53 003 ist eine einen Kern aufweisende Mag­ netvorrichtung beschrieben, deren Kern zu mindestens 50% aus glasartiger (amorpher) Magnetmetall-Legierung der Formel (FE)_70-85 T_0-15 X_15-25 besteht, wobei FE mindestens eines der Elemente Eisen, Kobalt und Nickel, T mindestens ein Übergangsmetallelement und X mindestens eines der Metalloidelemente Aluminium, Anti­ mon, Beryllium, Bor, Germanium, Kohlenstoff, Indium, Phosphor, Silizium und Zinn bedeuten.

Es ist erkannt worden, daß glasartige (amorphe) Metalle mit einer hohen Sättigungsmagnetisierung vorteilhaft in elektrischen Apparaten eingesetzt werden können, wie Speise- und Leistungstransforma­ toren, doch ermangeln solche Legierungen der erforderlichen Duktilität und Stabilität für diesen Zweck. So hat z. B. die eisenreiche Legierung Fe₈₀B₂₀ eine 4π M _s von etwa 1,6 T, beginnt jedoch innerhalb von 2 Stunden bei 325°C zu kristalli­ sieren und ist recht schwierig in Form von duktilen Bändern für elektrische Apparaturen herzustellen. Andere bekannte glasartige (amorphe) Legierungen haben eine etwas größere Stabilität und angemessene Duktilität für diesen Zweck, doch ist ihre Sätti­ gungsmagnetisierung zu gering.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine glasartige Legierung anzugeben, die eine hohe Sättigungsmaepietisierung, eine niedrige Koerzitivkraft und große Stabilität aufweist, um als Werkstoff für elektrische Motoren und Transformatoren geeignet zu sein. Die Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben.

Die vorliegende Erfindung be­ ruht auf der Feststellung, daß ein sehr enger Bereich von glasartigen Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium sowohl die erwünschte Magnetisierung als auch andere Eigenschaften für eine hervorragende Leistungsfähigkeit in elektrischen Apparatu­ ren, wie Motoren und Transformatoren, haben. Infolgedessen ist es jetzt aufgrund der vorliegenden Erfindung möglich, ein glasartiges Metall in Form eines Bandes herzustellen, das aus­ reichend duktil ist, um in elektrischen Apparaturen benutzt zu werden und das gute magnetische Eigenschaften und Stabili­ tät bei erhöhter Temperatur hat.

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Diagramm der Sättigungsmagnetisierung in 4 · 10^-8 Wb/g bei Zimmertemperatur für mehrere glasartige Le­ gierungen aus Eisen, Bor und Silizium,

Fig. 2 ein Diagramm der Koerzitivkraft mehrerer glasartiger ternärer Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium,

Fig. 3 ein Diagramm der Kristallisationstemperatur glasartiger ternärer Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium und

Fig. 4 ein kombiniertes Diagramm der Sättigungsmagnetisie­ rungs-Konturlinien der Fig. 1 und der Koerzitivkraft- Konturlinien der Fig. 2, über die die Konturlinie der Fig. 3 bei 320°C gelegt ist. Der schattierte Bereich A, B, C, D, E, F, A bezeichnet die glasartigen (amorphen) ternären Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium, die gleich­ zeitig die Eigenschaften der Sättigungsmagnetisierung von mindestens etwa 0,69 · 10^-5 Wb/g (174×4 · 10^-8 Wb/g) bei etwa 30°C, die Koerzitivkraft nach dem Glühen von weniger als etwa 2,4 A/m und die Kri­ stallisationstemperatur von mindestens etwa 320°C haben. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß eine hervorragende Gruppe von Le­ gierungen von den Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium inner­ halb der gebrochenen Linien erhalten wird, d. h. von 80 Atom-% Eisen, 19 Atom-% Bor und 1 Atom-% Silizium bis zu 81 3/4 Atom-% Eisen, 17 1/4 Atom-%Bor und 1 Atom-% Silizium bis zu 81 3/4 Atom-% Eisen, 12 1/4 Atom-% Bor und 6 Atom-% Silizium bis zu 82 1/4 Atom-% Eisen, 11 3/4 Atom-% Bor und 6 Atom-% Silizium. Diese Bezeichnung schließt jedoch nur einen Teil des Spektrums der glasartigen (amorphen) Metallegierungen aus Eisen, Bor und Silizium ein, die die einzigartige Kombination von Eigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung haben. Dieses vollkommene Spektrum wird weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben.

In Fig. 1 sind die Sättigungsmagnetisierungen für mehrere glasartige (amorphe) Legierungen aufgetragen. Die Magnetisierungen bei Zimmertemperatur und darunter wurden mit kleinen abgewogenen Probekörpern in einem vibrierenden Probenmagnetometer bis zu einer maximalen Feldstärke H von 1600 A/m bestimmt. Die Ergeb­ nisse wurden auf H=∞ extrapoliert unter Benutzung einer 1/H²-Funktion. Die Ergebnisse oberhalb von Zimmertemperatur wurden aus den diesbezüglichen Magnetisierungskurven erhalten, die bis zum Wert der Magnetisierung bei Zimmertemperatur nor­ malisiert waren. Einer Untersuchung des Diagramms kann entnom­ men werden, daß die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen eine erwünschte Sättigungsmagnetisierung von 0,71 · 10^-5 Wb/g (178×4 · 10^-8 Wb/g) bei Zimmertemperatur (30°C) haben.

In Fig. 2 ist die Koerzitivkraft für eine Reihe von Legierungen aus Eisen, Bor und Silizium aufgetragen, die be­ stimmt wurde an 10 cm langen Bändern, die man innerhalb eines 20 cm langen Solenoids anordnete, der dann für 120 Minuten bei einer Temperatur wenige Grade unterhalb der in Fig. 3 gezeigten Kristallisationstemperaturen geglüht wurde. Eine kleine Anzeige­ spule wurde mit einem integrierenden Flußmeßgerät verbunden und die Magnetisierung gegen das Feld wurde dann auf einem X-Y­ Aufzeichnungsgerät dargestellt bei langsamer Variation des Feldes. Einer Untersuchung des Diagrammes kann entnommen werden, daß die geringste Koerzitivkraft von 1,6 A/m bei allen Le­ gierungen gefunden wird, die die erwünschte hohe Sättigungs­ magnetisierung von 0,71 · 10^-5 Wb/g haben, wie sie in Fig. 1 gezeigt wird.

Die Kristallisationstemperaturen in Fig. 3 wurden bestimmt durch Aufzeichnen der Temperatur, bei der die Koerzitivkraft zu steigen beginnt, nachdem man die Probe 2 Stunden lang er­ höhten Temperaturen ausgesetzt hat. Den Diagrammen kann ent­ nommen werden, daß die Legierungen mit einer hohen Sättigungs­ magnetisierung und einer geringen Koerzitivkraft auch annehm­ bar hohe Kristallisationstemperaturen haben. Kristallisations­ temperaturen von bis zu 340°C werden für die Legierungen mit 6% Silizium erhalten, verglichen mit einer Kristallisationstempe­ ratur von 310-315°C für die Fe₈₂B₁₈-Legierung. Dies ist er­ wünscht, da es gestattet, die Legierung zu glühen, um die Be­ lastungen zu entfernen und das anfänglich hohe koerzitive Feld zu vermindern, ohne zu gestatten, daß die amorphe Legierung kri­ stallisiert und ihre erwünschten magnetischen Eigenschaften ver­ liert. Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können daher oberhalb von etwa 320°C geglüht werden, ohne das Kristalli­ sation auftritt.

Fig. 4 zeigt eine Kombination der Gradientenlinien der Fig. 1 und 2 unter Hinzufügung der Konturlinie der Fig. 3 für 320°C. Aus dieser Figur wird das Zusammenfallen der Eigenschaften der hohen Sättigungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur, der hohen Kristallisationstemperatur und der geringen Koerzitivkraft deut­ lich. Wie der Fig. 1 entnommen werden kann, gibt es eine schar­ fe Zunahme der Steilheit des Gradienten der Konturlinien der Sättigungsmagnetisierung vom Werte 0,69 · 10^-5 Wb/g zu höheren Werten. Es wurde niemals vorher erkannt, daß in diesem System amorphe Legierungen gefunden werden könnten mit der ungewöhnlichen Kombination der Eigenschaften von Sätti­ gungsmagnetisierung bei Zimmertemperatur (d. h. etwa 30°C) von mindestens etwa 0,69 · 10^-5 Wb/g, der Koerzitivkraft von weniger als etwa 2,4 A/m und der Kristallisationstemperatur von mindestens etwa 320°C. Legie­ rungen mit dieser ungewöhnlichen Kombination von Eigenschaften finden sich in dem schattierten Bereich, der durch die Gradienten­ linien der Koerzitivkraft, der Sättigungstemperatur und der Kristallisationstemperatur begrenzt ist, deren Schnittpunkte mit A, B, C, D, E, F bezeichnet sind. Noch wirksamere Legie­ rungszusammensetzungen finden sich in dem Bereich, der mit a, b, c, d bezeichnet ist und der definiert ist durch die Zusammen­ setzung:

81 Atom-% Eisen, 16 Atom-% Bor und 3 Atom-% Silizium (Punkt a);
81 3/4 Atom-% Eisen, 15 1/4 Atom-% Bor und 3 Atom-% Silizium (Punkt d),
81 1/2 Atom-% Eisen, 13 1/2 Atom-% Bor und 5 Atom-% Silizium (Punkt b) und
82 Atom-% Eisen, 13 Atom-% Bor und 5 Atom-% Silizium.

Die Legierungen Fe_81,3B_15,7Si₃ und Fe_81,7B_13,3Si₅ ebenso wie die optimale Zusammensetzung, die einen Eisengehalt von 81 1/2 Atom-%, ein Borgehalt von 14 1/2 Atom-% und einen Siliziumge­ halt von 4 Atom-% hat, sind Teil des Bereiches a, b, c, d.

Das Herstellen der erfindungsgemäß verwendeten Legierungen erfolgt durch Vermischen der Legierungsbestandteile in den erforderlichen Anteilen in Form von Pulver und Schmelzen der Mischung zur Herstellung der geschmolzenen Legierung, um daraus Bänder der gewünschten Abmessungen zu gießen. Das Abküh­ len erfolgt mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um glasartiges (amorphes) Material herzustellen.

Obwohl Variationen hinsichtlich der Schmelzpunkte zwischen den erfindungsgemäß verwendeten Legierungen Anforderungen bedingen können, die hinsichtlich des Schmelzens und Gießens variieren, kann doch die Herstellung und Bearbeitung dieser Legierungen mit gleichmäßig zufriedenstellenden Ergebnissen ausgeführt werden. In anderen Worten, die Ergebnisse der vorliegenden Erfindung sind in einer im wesentlichen routineförmigen Weise reproduzierbar, solange die zusammensetzungsmäßigen Begrenzungen bei der Herstellung der Legierungen streng eingehalten werden.

Bänder aus den erfindungsgemäß verwendeten amorphen Legierungen mit Eigen­ schaften, wie sie im einzelnen in den Fig. 1, 2 und 3 ange­ geben sind, werden hergestellt durch Richten eines Stromes der Legierung auf die Oberfläche einer sich rasch drehenden Kühl­ walze oder Trommel. Ein typisches Band hat eine Dicke von 0,025 cm und ist 0,13 cm breit. Die amorphe Natur des erhaltenden Bandes wird bestätigt durch Röntgenstrahldiffraktion, differentielle Abtastkalometrie und Messungen der magnetischen physikalischen Eigenschaften. Werden die Segmente für 2 Stunden bei Temperaturen im Bereich von 100 bis 400°C in gereinigtem Stickstoff geglüht, dann wird als Kristallisationstemperatur die Temperatur genommen, bei der bei dem 2-stündigen Glühen die Koerzitivkraft abrupt zu­ nimmt.

Um einen Transformator- oder Motorstator herzustellen, können Streifen der vorgenannten Legierung mit einer Breite von etwa 12 mm und einer Dicke von etwa 0,05 mm mit einem Binder, wie Polyamid-Imid überzogen werden und die Streifen werden in 6 Schichten in einem Hohlraum eines nichtmagnetischen Werkzeuges aus rostfreiem Stahl angeordnet, der mit Teflon-beschichtetem Aluminium ausgekleidet ist, wobei alternierende Schichten bei 90° liegen. Die Streifen werden mittels Permanentmagneten, die unter dem Werkzeug angeordnet sind, an Ort und Stelle gehalten, und man preßt den Verbundkörper mit 140 kg/cm² bei 330°C für 2 Minuten, nachdem man sich das Werkzeug einige Minuten auf 330°C ohne Druck hat vorerhitzen lassen, um eine Gleichgewichts­ einstellung zu erhalten und überschüssige Luft und überschüssi­ ges Wasser aus Werkzeug und Band auszutreiben. Der Verbundkör­ per wird dann 2 Stunden lang bei 325°C geglüht und hat danach eine geringe Koerzitivkraft und eine hohe Sättigungsmagnetisierung. Andere Verbundkörper werden mit ähnlichen Ergebnissen mit oder ohne Binder hergestellt. Andere geeignete Binder schließen Epoxyharze, Polyamidimide, Cyanacrylate und Phenolharze ein. Der Binder sollte einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der mit dem des Metallbandes verträglich ist, er sollte elektrisch isolieren, rasch härten und die thermischen Anfor­ derungen der beabsichtigten Anwendung und Glühung erfüllen, wenn erforderlich. In einigen Fällen gibt es weitere Anforderungen, wie eine Verträglichkeit mit den handelsüblichen Kühlmitteln, wenn der Einsatz für Kompressormotoren zur Raumkühlung erfolgt.

Um einen gewickelten Transformator herzustellen, wird die amorphe Metallfolie mit einer Breite von bis zu 15 cm auf einen Dorn mit einem kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt gewickelt. Die Zahl der auf den Dorn aufgebrachten Windungen und die Breite des Bandes hängen von der Transformatorstärke ab.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können offensichtliche Modi­ fikationen vorgenommen werden, wie ein untergeordneter Gehalt an kristallinem Material, das die Eigenschaften des Gegenstandes nicht ernstlich beeinträchtigt. Je nach dem jeweiligen Gegen­ stand und seinem beabsichtigten Einsatz kann er bis zu 10% des kristallinen Materials enthalten.

Claims (2)

1. Verwendung einer glasartigen Eisen-Bor-Silicium-Legie­ rung mit einer Zusammensetzung in einem Bereich, der durch die Punkte a (81 Atom-% Fe, 16 Atom-% B, 3 Atom-% Si)
b (81,5 Atom-% Fe, 13,5 Atom-% B, 5 Atom-% Si)
c (82 Atom-% Fe, 13 Atom-% B, 5 Atom-% Si)
d (81,75 Atom-% Fe, 15,25 Atom-% B, 3 Atom-% Si)in der Fig. 4 festgelegt ist, als Werkstoff für elek­ trische Motoren und Transformatoren mit einer Sätti­ gungsmagnetisierung von mindestens 0,7 · 10^-5 Wb/g bei etwa 30°C, einer Koerzitivkraft von weniger als 2,4 A/m und einer Kristallisationstemperatur von min­ destens 320°C.

2. Verwendung einer glasartigen Legierung gemäß An­ spruch 1, die die Formel Fe_81,3B_15,7Si₃; Fe_81,5B_14,5Si₄ oder Fe_81,7B_13,3Si₅ hat, für den Zweck nach Anspruch 1.